北航计算流体力学大作业.docx

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北航计算流体力学大作业

汽车气动特性分析

1.汽车模型

图1为原设计图，图2为二维简化模型示意图：

图1汽车模型设计图

图2简化模型示意图

2.题目要求

流体属性：

空气静温T=300K、静压

、气体常数R=8314./29.、比热比

，只计算层流。

（1）工况一：

汽车在地面行驶，速度分别为：

12、120、240km/h，对应马赫数取为Ma=0.01、0.1、0.2。

（2）工况二：

假设汽车在天空飞行，速度分别为：

Ma=0.2、0.8、2.0。

（3）分别采用基于密度的算法和基于压力的算法。

输出结果：

（1）网格生成推荐采用ICEM，要求在Tecplot中显示温度场、压力场、马赫数分布、流线图；

（2）对比分析当Ma=0.2时工况1和工况2流场的差别。

（3）对于工况二，Ma=2.0，基于密度的算例在原网格（大约100*80）基础上加密1倍（200*160），分析网格对计算结果的影响。

（4）比较采用基于密度的算法和基于压力的算法的收敛情况。

（5）分析汽车的阻力和升力随行驶速度的变化规律。

（6）在完成二维计算的基础上，尝试采用三维模型计算可获得加分（工况1或者工况2，Ma=0.2）。

3.输出结果

3.1.工况一

网格如图3所示（140*80）：

图3工况一网格

3.1.1.温度场

图4基于密度0.01马赫

图5基于密度0.1马赫

图6基于密度0.2马赫

注：

初始温度设置为300K

图7基于压力0.01马赫

图8基于压力0.1马赫

图9基于压力0.2马赫

3.1.2.压力场

图10基于密度0.01马赫

图11基于密度0.1马赫

图12基于密度0.2马赫

注：

初始压强设置为101325Pa

图13基于压力0.01马赫

图14基于压力0.1马赫

图15基于压力0.2马赫

3.1.3.马赫数分布

图16基于密度0.01马赫

图17基于密度0.1马赫

图18基于密度0.2马赫

图19基于压力0.01马赫

图20基于压力0.1马赫

图21基于压力0.2马赫

3.1.4.流线图

图22基于密度0.01马赫

图23基于密度0.1马赫

图24基于密度0.2马赫

图25基于压力0.01马赫

图26基于压力0.1马赫

图27基于压力0.2马赫

3.2.工况二

网格如图28所示（100*80）：

图28工况二网格

（计算结果图见下一页）

3.2.1.温度场

图29基于密度0.2马赫

图30基于密度0.8马赫

图31基于密度2马赫

注：

初始温度设置为300K

图32基于压力0.2马赫

图33基于压力0.8马赫

图34基于压力2马赫

3.2.2.压力场

图35基于密度0.2马赫

图36基于密度0.8马赫

图37基于密度2.0马赫

注：

初始压强设置为101325Pa

图38基于压力0.2马赫

图39基于压力0.8马赫

图40基于压力2.0马赫

3.2.3.马赫数分布

图41基于密度0.2马赫

图42基于密度0.8马赫

图43基于密度2.0马赫

图44基于压力0.2马赫

图45基于压力0.8马赫

图46基于压力2.0马赫

3.2.4.流线图

图47基于密度0.2马赫

图48基于密度0.8马赫

图49基于密度2.0马赫

图50基于压力0.2马赫

图51基于压力0.8马赫

图52基于压力2.0马赫

3.3.对比分析当Ma=0.2时工况1和工况2流场的差别

工况1（基于压力）

工况2（基于压力）

温度

分析

相同点：

①最高温度均为302K，最低温度均为292K左右；②在车前0.5m内的圆形区域内，温度都上升了1~2K；③车底的圆形区域内，温度均大幅度下降，约下降10K左右；④挡风玻璃处有一个明显的高温区；

不同点：

工况1车的后方，只有1m左右的区域内温度上升，车后1~2米温度上升不明显；

工况2车的后方3m范围内温度均有明显的上升，温升区域为长条状。

压强

分析

工况1：

车后方有一个圆形低压区，最低为86000Pa左右；车前0.5m内有一个圆形高压区，最高为116000Pa左右；车底压强也较低，约为92000Pa左右；

工况2：

车下方有一个圆形低压区，最低为74000Pa左右；车前1m内有一个圆形高压区，最高为10800Pa；车后方压强下降不明显。

马赫数

分析

相同点：

两者马赫数最大均为0.42，最小均为0.02；车前0.25m的圆形区域内，马赫数均下降到0.02左右；车底的圆形区域内，马赫数均上升至0.42左右；

不同点：

工况1，车后1m处，靠上的位置有一个圆形区域速度显著上升，最高升至0.42马赫，而车后1m到3m处，靠下的位置，有一个长条状区域，速度明显降低，最低降至0.02马赫；

工况2，车后方1m处，靠上的位置有一个不太明显的圆形区域，速度稍微有些上升，最高为0.3马赫左右，而车后4m的长条状区域内，速度均显著下降，最低为0.02马赫。

流线

分析

工况1，车前挡风玻璃处，有一个较小的涡，车后3m内也有明显的涡，车下方则没有涡；

工况2，车前挡风玻璃处没有涡，车后方4m内有明显的涡，车下方1米内有明显的涡。

3.4.对于工况2，Ma=2.0，基于密度的算例在原网格（大约100*80）基础上加密1倍（200*160），分析网格对计算结果的影响

网格对比如下：

图53100*80网格

图54200*160网格

计算结果如下所示：

100*80基于密度

200*160基于密度

温度

分析

①温度场的整体分布情况基本一致，差别较大的地方主要是车后的大部分区域，对于100*80，车后的温度变化较小，基本保持在340K左右，而对于200*160，车后温度变化较大，从360K下降至300K；

②对于100*80，最高温度为520K，最低温度为初始温度300K，对于200*160，最高温度为540K，最低温度为初始温度300K。

③温度最高区域均为车头和挡风玻璃处。

压强

分析

两者压强分布基本一致，车后方的压强变化略有差异。

马赫数

分析

①马赫数分布情况基本一致，车身上方和下方的马赫数存在一些差异；

②同样的参数下，100*80的马赫数最高为1.9马赫，最低为0.1马赫，200*160马赫数最高为2.0马赫，最低为0.2马赫；

③100*80的网格，结果的连续性更好。

流线

分析

①流线分布情况基本相同，但存在一定的差异，100*80的，挡风玻璃处有一个明显的涡，200*160的，挡风玻璃处则没有涡；

②100*80的，车后方流线连续性较好，比较平稳，200*160的，车后方流线比较凌乱。

总结：

加密网格后结果的连续性较差。

3.5.比较采用基于密度的算法和基于压力的算法的收敛情况

1基于密度的算法都可以收敛，收敛情况较好；

2对于速度过高或者速度过低，如2.0马赫、0.01马赫，基于压力的算法如果采用默认松弛因子很容易出现发散，必须将松弛因子调小一些才能收敛；

3对于亚声速，如0.8马赫，由于流场情况比较复杂，基于压力的算法也很难收敛，采用二阶精度几乎没办法计算，采用一阶精度并且调小松弛因子才能收敛。

3.6.分析汽车的阻力和升力随行驶速度的变化规律

阻力（N）

升力（N）

基于密度

基于压力

基于密度

基于压力

工况1

0.01马赫

23.079378

15.084863

-19.2991

-41.18202

0.1马赫

1856.3383

2681.9011

-479.45033

-3801.8013

0.2马赫

8539.9915

13350.321

-3119.2704

-22040.155

工况2

0.2马赫

5411.5733

4749.7693

-16705.816

-41693.292

0.8马赫

3.2923228e+10

555440.93

-2.3398152e+10

-416267.07

2马赫

586022.27

725634.17

-509540.23

-442615.92

基于密度的算法存在两个异常数据3.2923228e+10和-2.3398152e+10，因此采用基于压力的算法进行分析。

①将工况1的阻力数据拟合如下，发现阻力和马赫数之间基本是一个幂函数关系，公式如图所示，判定系数近似为1，表明拟合度非常好，分析原因为：

速度比较小，压强分布相似，故而压差阻力的变化满足一定的函数关系，摩擦阻力较小，几乎忽略不计。

图55工况1阻力和马赫数的关系

②对于工况2，阻力随着马赫数的增大而增大，但没有明显的函数关系。

这是由于马赫数变化幅度较大，从很小的速度，变化为亚音速，又变化为超音速，压强分布差异很大，阻力变化也不规律。

③工况1和工况2，升力随马赫数的变化也不满足函数关系，升力均为负值，力的方向垂直向下；其绝对值随着速度的增大而增大。

3.7.三维模型计算

3.7.1.网格

如下图所示：

图56立体网格

图57X方向网格

图58Y方向网格

图59Z方向网格

注：

为简化模型，车的各部分宽度均相等，为1.4m。

3.7.2.计算结果

工况2，马赫数为0.2，采用基于密度的算法：

分别截取了温度场、压力场、马赫数在x，y，z方向的切片云图

车对称轴所在截面云图：

（Z=0）

图60温度场

图61压力场

图62马赫数

车侧表面所在截面分布云图：

（Z=0.7，车宽度为1.4，各部分宽度均相等）

图63温度场

图64压力场

图65马赫数

立体温度场、压力场：

图66压力场

图67温度场